研究人员已经开发出使用无机物质自主摄取、加工和推出物质的人造细胞样结构——重现活细胞的基本功能。他们发表在《自然》杂志上的文章提供了创建“细胞模拟物”的蓝图，其潜在应用范围从药物输送到环境科学。

活细胞的一个基本功能是它们能够从环境中获取能量以将分子泵入和泵出其系统。当使用能量将这些分子从较低浓度的区域移动到较高浓度的区域时，该过程称为主动运输。主动运输使细胞能够吸收必要的分子，如葡萄糖或氨基酸，储存能量并提取废物。

几十年来，研究人员一直致力于创造人造细胞——模拟生物细胞特征和行为的工程微观结构。但这些细胞模拟物往往缺乏执行复杂细胞过程(如主动运输)的能力。

在Nature研究中，纽约大学和芝加哥大学的研究人员描述了一种新的、完全合成的细胞模拟物，它离复制活细胞的功能又近了一步。当部署在不同粒子的混合物中时，细胞模拟物可以通过自主捕获、浓缩、储存和递送微观货物来执行主动运输任务。这些人造细胞是使用最少的成分制造的，没有从生物学中借用任何材料。

为了设计细胞模拟物，研究人员使用聚合物制作了一个红细胞大小的球形膜，这是细胞膜的替代品，控制进出细胞的物质。他们在球形膜上钻了一个微孔，形成了一个纳米通道，通过它可以交换物质，模拟细胞的蛋白质通道。

但是为了执行主动运输所需的任务，细胞模拟物需要一种机制来为细胞样结构提供动力以吸入和排出物质。在活细胞中，线粒体和ATP为主动运输提供必要的能量。在细胞模拟物中，研究人员在纳米通道内添加了一种化学反应成分，当被光激活时，它会起到泵的作用。当光照射到泵上时，它会引发化学反应，将泵变成一个微小的真空并将货物拉入膜中。当泵关闭时，货物被困在模拟细胞内并进行处理。当化学反应发生逆转时，货物会按需推出。

“我们的设计理念使这些人工细胞模拟物能够自主运行并执行迄今为止仅限于活细胞领域的主动运输任务，”纽约大学化学副教授、该研究的主要作者StefanoSacanna说。“细胞状结构设计的核心是从内部为其提供动力的活性元素与细胞壁施加的物理限制之间的协同作用，使它们能够摄取、处理和排出异物。”

研究人员在不同环境中测试了细胞模拟物。在一项实验中，他们将模拟细胞悬浮在水中，用光激活它们，并观察它们从周围的水中摄取颗粒或杂质，这说明了从水中清除微观污染物的潜在应用。

“想想像吃豆人电子游戏一样的细胞模拟——它们到处吃污染物并将它们从环境中去除，”萨卡纳说。

在另一项实验中，他们证明细胞模拟物可以吞下大肠杆菌并将它们困在膜内，这可能提供一种对抗体内细菌的新方法。细胞模拟物的另一个未来应用可能是药物输送，因为它们在激活时可以释放预加载的物质。

研究人员正在继续开发和研究细胞模拟物，包括构建执行不同任务的细胞模拟物以及学习不同类型之间如何交流。